螺旋 (简单机械)

✍ dations ◷ 2025-07-08 15:54:22 #简单机械

螺旋(英语:screw)通常是表面具有凹凸不平呈螺旋线型条纹的圆柱体或圆孔体,称这种圆柱体为“螺杆”、圆孔体为“螺母”、螺旋线型条纹为“螺纹”。螺杆的螺纹称为“外螺纹”,螺杆分为“外螺纹”与“杆轴”两部分。螺母的螺纹称为“内螺纹”。内外螺纹互相匹配的螺母与螺杆共同组成一对“螺旋副”。

螺旋机制能够将旋转运动变换为直线运动、将力矩变换为直线力。借着这传递作用力的机制,作用力可以被放大,施加较小的旋转力(力矩)于杆轴可以变换为较大的轴向力。螺距是两条邻近螺纹之间的轴向距离。螺距越小,则机械利益越大,即输出力与输入力的比例越大。

设想一组螺旋副,其固定不动的螺母紧套在可移动螺杆的外围,当扭转螺杆时,相对于固定不动的螺母,螺杆会顺着螺纹做旋转运动,同时沿着杆轴以直线通过螺母,这整个运动称为“螺转运动”(screw motion)。应用螺旋机制,螺杆可以做螺转运动通过固定不动的螺母。例如,用力扭转木螺钉可以促使其钻入木材。逆反过来,螺母可以做螺转运动通过固定不动的螺杆。

有些应用螺旋机制的机械,并不一定具有杆轴或螺纹。例如,阿基米德式螺旋抽水机是一种水泵,借着螺旋曲面绕着旋转轴做旋转运动,将水从低处传往高处,拔塞钻是一条端点尖锐的螺旋形状粗铁丝,扭转其把柄会促使粗铁丝因螺转运动钻入酒瓶的木塞盖。

应用螺旋机制,螺纹紧固器将两个物件紧固在一起。例如,容器的螺旋盖、虎钳、螺旋千斤顶、螺旋压榨机等等。

螺旋是六种简单机械之中最晚发明的一种。螺旋最早出现于古希腊时期。历史学者认为阿基米德或塔兰托的阿基塔斯(428 - 347 BC)可能是螺旋的发明者。,大约在公元前1世纪或2世纪,古希腊人已经在使用螺旋压榨机。,历史学者归功阿基米德大约公元前234年发明了阿基米德式螺旋抽水机,虽然有证据显示这机械可能是从埃及流传过来的。阿基米德开启研究螺旋的运动学。亚历山大的希罗(公元10-70年)定义螺旋为一种围绕着圆柱的斜面形成的简单机械,并且描述制造与使用的方法,以及使用螺丝攻切削螺母的内螺纹的方法。

1400年左右,人们想出了应用螺旋机制于挖掘与传输物质用途,这可以从欧洲油画里查觉──钻孔器开始出现于这些油画。15-16世纪,由于螺纹车床发展成功,越来越多精心设计的机械成功地被制成。

1600年,意大利物理大师伽利略在著作《论力学》(《Le Meccaniche》)里,推导出包括螺旋在内的简单机械的动力理论。

与其他的回转运动区别特点为以下部分:

按照螺牙的大小,螺纹可以分为“粗牙螺纹”与“细牙螺纹”,这是由两个密切相关数量来定义:

“单纹螺旋”的螺距与导程相等,单纹螺旋的螺杆只具有单独一条螺旋线围绕在杆轴外面。“多纹螺旋”的螺距与导程不相等,多纹螺旋具有多条的螺旋线围绕在杆轴外面。对于这些螺旋,导程等于螺距乘以螺旋线数量。当要求较长的导程时,通常会使用多纹螺旋。例如,瓶子的瓶盖。

螺旋的螺纹,按照螺旋线方向,可以朝着两种方向旋转。大多数螺旋的螺纹遵守顺时针方向,从螺旋的任意一端朝轴杆看去,假若将螺旋以顺时针方向旋转,则右旋螺旋会移动离开观看者。“右旋螺旋”遵守右手定则:将右手手指朝着旋转方向握紧杆轴,伸直大拇指,则大拇指会指向杆轴直线移动的方向。反之,“左旋螺旋”遵守反时针方向,从螺旋的任意一端朝轴杆看去,假若将螺旋以反时针方向旋转,则左旋螺旋会移动离开观看者。左旋螺旋遵守左手定则。将左手手指朝着旋转方向握紧杆轴,伸直大拇指,则大拇指会指向杆轴直线移动的方向。

对于右撇子而言,使用螺丝起子来扭紧右旋螺旋比扭紧左旋螺旋容易,因为这动作使用的是施力较大的旋后肌,而不是具有施力较小的旋前肌。由于大多数人是右撇子,螺纹紧固器标准规定螺纹为右旋螺纹。

左旋螺纹常用于以下案例:

假设将螺杆旋转 α {\displaystyle \alpha } 角度,则杆轴直线移动的路径长度 d {\displaystyle d}

其中, {\displaystyle \ell } 是螺旋的导程。

简单机械的“距离比例”定义为施力与负载之间移动路径长度的比例。对于螺旋,计算在杆轴边缘的一点P移动的曲线路径长度 d i n {\displaystyle d_{in}} 与杆轴直线移动的路径长度 d o u t {\displaystyle d_{out}} ,距离比例等于这两个数值之间的比例。假设杆轴的半径为 r {\displaystyle r} ,旋转一周,点P移动了曲线路径长度 2 π r {\displaystyle 2\pi r} ,而杆轴直线移动的路径长度是导程 {\displaystyle \ell } 。所以,距离比例为

机械利益定义为输出力与输入力之间的比例。对于螺旋,计算杆轴作用于负载的轴向输出力 F o u t {\displaystyle F_{out}} 与作用于杆轴边缘、促使杆轴转动地旋转输入力 F i n {\displaystyle F_{in}} ,机械利益等于这两个力之间的比例。忽略摩擦力,机械利益等于距离比例:

从这方程式可以观察出,螺旋的机械利益与导程 l {\displaystyle l} 有关。导程越小,机械利益越大,给定输入力,螺旋输出的力越大。

大多数实际螺旋机械必需将摩擦纳入考量,这些螺旋机械的机械利益小于前述方程式计算出的数值。

实际而言,作用于杆轴边缘的旋转力是一种力矩 τ i n = F i n r {\displaystyle \tau _{in}=F_{in}r} 。因此,转动杆轴所需要的输入力与施力点离杆轴中心线的垂直距离有关;施力点离开中心线越远,需要的输入力越小。通常,这输入力不是如同前面所述地施加于杆轴边缘,而是使用某种形式的杠杆,例如,使用板手可以很容易地转动螺栓。对于这案例,以力矩形式表达,机械利益为

其中, {\displaystyle \ell } 是施力臂。

由于在螺纹与螺纹之间,有大面积的滑动接触面,螺旋机械通常会遭到摩擦能量损耗。甚至经过润滑后的螺旋千斤顶也只能达到15%-20%机械效率,其它的转动所做的功都损耗在摩擦效应。假若将摩擦纳入考量,则机械利益与螺旋的机械效率有关。机械效率 η {\displaystyle \eta } 是一种无单位数值,在0与1之间,定义为输出功与输入功之间的比例:

按照能量守恒,移动负载所做的功 W o u t = F i n r {\displaystyle W_{out}=F_{in}r} 与因为摩擦损耗的功 W f r i c {\displaystyle W_{fric}} ,这两种功的代数和等于输入力对于螺旋所做的功 W i n {\displaystyle W_{in}}

功定义为作用力乘以移动距离:

所以,机械利益为

实际螺旋的机械利益低于理想、无磨擦螺旋,因子为机械效率 η {\displaystyle \eta } 。在动力机械里,由于螺旋的机械效率较低,不常被用为传输大量功率的连杆组(导螺杆是一个例外),比较常用为间歇性运作的定位器。

由于在螺纹与螺纹之间,有大面积的滑动接触面,大多数螺旋机械会具有“自锁性质”──施加力矩于杆轴会促使杆轴旋转,但是逆反过来,对着轴杆施加轴向负载力,并不会促使螺杆逆旋转。这性质与其它一些简单机械明显不同,那些简单机械不具自锁性质,假若负载力足够大,则那些简单机械会朝逆反方向运动,那些简单机械可以双向运作。例如,杠杆就是一种可以双向运作的机械;假若作用于抗力点的负载力过大,则杠杆会朝逆反方向运动,做功于施力(施力会做负功)。大多数螺旋机械都设计为具有自锁性质,假若没有力矩作用于杆轴,则会停止不动。但是,有些螺距较长、润滑良善的螺旋机械不具有自锁性。

少数几种螺旋机械,例如手推式螺丝起子(一种靠人力为动力来源的钻孔器),以逆反方式使用螺旋。假设,对着轴杆施加轴向负载力,则螺杆会旋转。

由于具有这种自锁性质,像木螺钉,板金钉、螺栓与螺帽等等螺旋紧固器的用途很广泛。将紧固器用力扭转紧固,可以施加压缩力于两个被紧固的物件,而对于这两个物件施加的作用力很难将紧固器转松。这性质也是螺旋盖、虎钳、C形夹、螺旋千斤顶等等机械的运作原理。施力扭转千斤顶的杆轴可以升高重物,但当不再施力后,杆轴会停滞于同样的高度。

螺旋具有自锁性质当且仅当机械效率 η {\displaystyle \eta } 低于50%:

螺旋是否具有自锁性质与螺纹的螺角和摩擦系数有关;假设润滑良善、低摩擦的螺纹具有足够大的螺角,则这螺旋机械可能会朝逆反方向运动。

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